什么是頻率計數器？

圖1 電信號波形的三個參數

頻率計數器是一種測量電子電路中產生的頻率的數字設備。

電信號可以使用三個參數來表示：頻率、幅度和相位。另外，周期可以通過頻率的倒數來確定，頻率測量是電信號基本測量中的一個重要參數。

通用計數器是一種除頻率計數外還具有多種功能的計數器，例如占空比測量、脈沖上升時間和時間間隔。

頻率計數器的使用

頻率計數器與電流表和電壓表一樣，被用作電信號測量中的基本測量儀器。盡管有些產品可作為獨立的頻率計數器使用，但許多具有頻率計數器功能的產品已被開發為具有多種功能的設備的一部分，例如數字萬用表、示波器和光譜分析儀。

頻率計數器的特點是其原理極其簡單。由于可以自己制作，因此還提供套件。許多公司都出售頻率為數十 MHz 的頻率計數器套件。原因是直接頻率計沒有復雜的運算。

此外，一些多功能測試儀配備了可以測量頻率的范圍，并且由于這些類型易于操作，因此它們在我無法攜帶大型測量設備的場所特別有用。然而，雖然它具有易于使用的優點，但缺點是不適合需要高頻或大量有效數字的應用。

大多數套件都是基于 LSI 的，因此您無法了解其所有結構，但您可以感受一下。

頻率計原理

頻率計數器由波形整形電路、門電路、晶體振蕩器和計數電路組成。

1、波形整形電路

輸入信號被轉換成“脈沖串"。

2. 晶振

生成具有固定時間寬度的脈沖。產生一個時間窗（門時間）來測量脈沖串，該時間窗作為測量頻率的窗口。 （見圖2-a、圖2-b）

3. 測量電路

我們通過計算時間窗口中包含的脈沖數量來測量原始信號的頻率。頻率測量的分辨率由晶體振蕩器產生的時間窗口的時間寬度決定。例如，如果時間窗口為1秒，則可以以1Hz為單位顯示，如果時間窗口為0.1秒，則為10Hz，分辨率與時間的時間寬度的倒數成正比窗戶。

在頻率計數器中，大多數誤差發生在脈沖串生成時。特別是，如果輸入信號包含噪聲，脈沖的上升可能會變得不穩定，或者可能會生成不應該存在的額外脈沖。 （見圖2-c）

防止錯誤的一種方法是重復測量并平均噪聲分量。這可以減少生成脈沖串時發生的錯誤。

頻率計測量方法

頻率計數器是一種測量輸入信號頻率并顯示結果的設備。有兩種測量方法：“直接法"，由于易于實現而長期使用；“倒數法"，雖然成本較高，但可以獲得較高的有效位數。

1. 直接法

零點交叉測量
直接法頻率計數器測量輸入信號頻率在零點交叉的次數。如果輸入信號是正弦曲線，則計算它向下或向上穿過零點的次數。直接頻率計數器的優點是它可以僅使用硬件輕松實現。因此，這種方法長期以來一直被使用，并將每秒過零點的次數顯示為頻率的測量值。

直接法頻率計數器的特點是在內部創建精確的參考時鐘，并通過打開該時間量的時間窗口來測量時鐘穿過零點的次數。

測量有效位數
直接法頻率計數器的有效位數由時間窗的時間寬度和輸入頻率決定，例如輸入頻率為1GHz，時間窗為1秒，測量值為1x10^9，有效位數為1。即10位。當輸入頻率為1kHz時，有效位數為4位，分辨率均為1Hz。

這里，增加時間窗寬度會提高分辨率，例如，如果時間窗寬度設置為100秒，則1kHz時有效位數為6位，分辨率為0.01Hz。但一次測量至少需要100秒是不現實的，工作效率顯著降低。另外，需要了解的是，測量值總會存在±1的量子誤差。

如果只想測量高頻信號，使用直接法頻率計數器沒有任何問題，但為了提高直接法的精度，需要增加時間窗寬度。然而，使用直接法時，增加時間窗寬度也會增加一次測量所需的時間，其缺點是效率極低。在這些情況下，可以選擇倒數頻率計數器。

2.倒數法

倒數頻率計數器使用內部參考時鐘對輸入波形或分頻波形進行計數。特別是在測量低頻時，它具有能夠獲得大量有效數字的優點。倒數頻率計數器的有效位數由內部參考時鐘和門控時間決定，具有不受輸入頻率影響的特點。

例如，如果內部參考時鐘為 10 MHz，選通時間為 1 秒，則有效位數為 7；如果內部參考時鐘為 10 秒，選通時間為 10 秒，則有效位數為 7。將會是8。雖然倒數法可以在低頻范圍內的測量中獲得大量的有效位數，但由于計數器本身的操作復雜，因此具有價格昂貴的缺點。